復合材料成形2010年11月機制.ppt

第7章 復合材料成形,復合材料:兩種或兩種以上不同性質(zhì)的物質(zhì)組合在一起的新材料,7.1 復合材料成形基礎 復合是一種包括物理、化學、力學，甚至生物學相互作用的復雜過程。,7.1.1 影響復合材料性能的因素 基體材料性能、增強體特征、組成物比例、界面性質(zhì)、成形方法和工藝參數(shù),基體材料性能：強度、彈性模量、化學穩(wěn)定性,增強體特征：類型、粗細、強度和彈性模量 增強纖維越細，復合材料的強度越高，剛 度越大；增強體顆粒細些，增強效果就會 好些，顆粒直徑0.010.1mm效果最好。,組成物比例及分布等： 增強體的含量、排列方式和方向 以及和基體間的界面粘結(jié)狀況， 應進行適當控制。,成形方法和工藝參數(shù)：不同的復合材料應選擇合適 的成形方法和工藝參數(shù)（壓力、固化溫度）,7.1.2 復合材料的復合原則 為獲得最佳的強度、剛度和韌性，纖維增強復合材料的生產(chǎn)應遵循下述原則：,1纖維的性能：高強度和高剛度。有時還要求纖維 的密度小，耐熱性好。應用較多的纖維有玻璃纖 維、碳纖維、硼纖維、陶瓷纖維等,（2）對纖維應有一定的粘結(jié)性能，并能保護纖維表面不 受損傷。,2基體的性能 （1）一定的塑性和韌性，以防纖維斷裂時裂紋擴展。,聚合物和金屬能較好地滿足上述要求,3纖維與基體間應有合適的結(jié)合強度，以利于載荷由基體向纖維傳遞，充分發(fā)揮纖維的增強作用,4纖維必須有合理的含量、尺寸和分布 (1) 含量：纖維的體積容量越大，增強效果越好。 (2) 尺寸：纖維的直徑越小、越長，增強效果越好。 (3) 分布：纖維的排列可采用不同方向交叉層疊方式， 以達到多方向的增強效果。,1材料制備與制品成形同時完成 形狀復雜的大型制品能一次整體成形，工藝簡單、生產(chǎn)周期短、成本低。減少甚至取消了接頭，應力集中小、制品質(zhì)量輕、剛度和耐疲勞性高。,2材料性能的可設計性 基體材料和增強材料及其合適的比例 合理的排列方向和層數(shù) 合適的復合工藝和參數(shù) 制品結(jié)構(gòu)合理、安全可靠、經(jīng)濟性好,7.1.3 復合材料成形的工藝特點,成形過程：原材料制取、生產(chǎn)準備、制品成形、固化、脫模和修整、檢驗,7.2 復合材料成形方法,7.2.1 樹脂基復合材料的成形方法 樹脂基復合材料是以樹脂為基體、纖維為增強體復合而成的。,1手糊法 脫模劑表面膠增強材料刷樹脂至所需層數(shù)固化脫模修整和檢驗,特點： 設備簡單，不受制品尺寸限制，勞動條件差，制品質(zhì)量不穩(wěn)定、強度較低。 適用于大型制品的小批量、多品種生產(chǎn)。,應用：船體、浴盆、波紋瓦、汽車殼體、風機葉片 最早、目前仍廣泛應用,1-模具 2-脫模劑 3-膠層 4-玻璃纖維 5-手動壓輥 6-樹脂,2噴射法 將手糊法成形操作中的糊制工序改由噴槍完成，將纖維和樹脂液同時噴到模具上，再經(jīng)壓實、固化得到制品。 通常噴射速率為210kg/min。,優(yōu)點：噴射法成形為半機械化操作，生產(chǎn)率高；制品的飛邊少，無搭縫；整體性好。 缺點：樹脂含量高；制品強度低；且操作現(xiàn)場粉塵大；工作環(huán)境差。,1模具 2、5噴嘴 3纖維 4切割器 6手動壓輥 7制品,3袋壓法 將手糊法成形的制品或預浸料（預浸樹脂的纖維或織物）放到模具內(nèi)，并在制品上覆蓋橡膠袋或塑料袋，將氣體壓力施加到尚未固化的制品表面使其成形的工藝方法。,制品兩面都比較平滑，質(zhì)量好；成形周期短、適應的樹脂類型廣且制品的形狀可較復雜。成本較高，制品尺寸受設備的限制。,4纏繞法 將連續(xù)纖維或布帶浸漬樹脂后，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，通過固化、脫模而得到制品的方法。,用于：纏繞圓柱體、球體等回轉(zhuǎn)體制品，如壓力罐、筒、 貯罐和火箭發(fā)動機殼體,特點：制品比強度大、精度高、質(zhì)量好且易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。但制品軸向難以增強，設備投資較大。,1-芯模 2-樹脂 3-輥輪 4-纖維,5模壓法 將已干燥的浸膠纖維或織物等放入金屬模具內(nèi)，通過加熱、加壓使樹脂塑化和熔融流動成形，經(jīng)固化獲得制品。,7.2.2 金屬基復合材料的成形方法 以金屬為基體，用纖維、顆粒等作為增強體,特點：模壓法制品尺寸精確、表面光滑、力學性能高。 應用：模壓法工藝簡便、應用廣泛，常用于制造船體、 罩殼 和汽車車身等制品。,1等離子噴涂法 在惰性氣體保護下，由等離子弧向排列整齊的纖維噴射熔融金屬，待其冷卻凝固后形成復合材料的方法。,特點：界面結(jié)合緊密，成形過程中纖維不受損傷，但基體組織不夠致密。,2液態(tài)滲透法 以金屬液滲入增強體制成復合材料的方法，可以通過多種鑄造方法來實現(xiàn),用于制造長、短纖維增強以及混雜增強的金屬基復合材料，并能制造形狀復雜的制品。 設備比較復雜，周期較長，制造大尺寸制品困難。,真空壓力鑄造法原理 1加熱元件 2鑄模 3纖維預制件 4冷卻塊 5熔融金屬,3熱壓擴散結(jié)合法 高溫下，對排布好的纖維和金屬基體施加靜壓力，使纖維和金屬產(chǎn)生原子擴散和少量塑性變形以完成粘接,加熱溫度低、纖維不易損傷，金屬對纖維的潤濕性和纖維的取向性好，但生產(chǎn)周期長。 是鈦基、鎳基等熔點較高的金屬最主要的復合方法 用于制造板材、型材及形狀復雜的壁板、葉片等。,a）纖維與金屬箔復合 b）有金屬鍍層的纖維復合 1、3纖維 2金屬箔 4金屬鍍層,7.2.3 陶瓷基復合材料的成形方法 陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體，采用纖維、顆粒等作為增強體經(jīng)復合而成的。,1粉漿浸滲法 將纖維增強體編織成所需形狀，用陶瓷漿料浸滲，干燥后進行燒結(jié)。 不損傷增強體，無需模具且工藝簡單，但制品的密度和力學性能不夠高。,2熱壓燒結(jié)法 將纖維或織物增強體用陶瓷漿料浸漬后組成一定結(jié)構(gòu)的坯體，經(jīng)干燥后在高溫、高壓下燒結(jié)成制品。 制品的密度和力學性能均較高。,3反應燒結(jié)法 使已與增強材料混合的熔融金屬直接氧化或氮化制成復合材料。反應產(chǎn)物最初在金屬與氣相界面形成，然后不斷向金屬內(nèi)部擴展，直至形成相互貫通的呈三維網(wǎng)絡的陶瓷基復合材料。,成本較低、工藝簡單；制品收縮很小、形狀和尺寸不限；常溫性能好。但制品的高溫強度不高。,7.3 復合材料制品的結(jié)構(gòu)工藝性,1纖維的分布應滿足承載要求 采用短切纖維或采用連續(xù)長纖維在幾個方向上交叉鋪設，以使制品近似獲得各向同性。 為提高板、殼面內(nèi)的抗剪能力，通常纖維的縱向應與板、殼的框、肋成45角。,2構(gòu)件彎折處應采用圓角過渡 避免彎折處應力集中和彎折處樹脂聚積或缺膠使 強度降低現(xiàn)象,3盡量采用整體結(jié)構(gòu) 利于簡化制品結(jié)構(gòu)、減少連接件數(shù)量和簡化生產(chǎn)工藝，有利于減輕制品質(zhì)量、降低成本和提高制品的使用性能。,4采用剛性較好的結(jié)構(gòu) 提高構(gòu)件的承載能力和尺寸穩(wěn)定性。,7.4 復合材料制備與成形技術的發(fā)展趨勢,7.4.1 復合材料的智能化生產(chǎn)技術 在同一過程中進行材料設計和制造出零部件或器件。對材料的組織性能和制品的形狀尺寸等進行實時控制，大大提高了制品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性，縮短了生產(chǎn)或研制周期,7.4.2 創(chuàng)新與繼承相結(jié)合 繼承和吸取金屬材料和高分子材料成形技術的精華，并加以發(fā)展。 復合材料各種成形技術之間相互結(jié)合,7.4.3 新技術的開發(fā)與應用,本章小結(jié),復合材料由基體材料和增強材料組成。,金屬基復合材料以金屬為基體，采用纖維、顆粒等作為增強體經(jīng) 復合而成的。 金屬基復合材料成形方法：等離子噴涂法、液態(tài)滲透法、熱壓擴 散結(jié)合法,樹脂基復合材料是以樹脂為基體、纖維為增強體復合而成的。 樹脂基復合材料